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1. 개요
| 라이덴프로스트 효과에 대한 영상. 40초 대 부터 보면 된다.[1] |
Leidenfrost-Effekt / Leidenfrost 效果
어떤 액체가 끓는점보다 훨씬 높은 온도의 물체에 접촉할 경우 빠르게 액체가 끓으면서 증기로 이루어진 절연층이 생성되는 효과이다. 발견자인 요한 고틀로프 라이덴프로스트의 이름에서 따왔다.
이 효과는 뜨겁게 달구어진 프라이팬 위에 물방울을 떨어뜨리는 방법으로 흔하게 볼 수 있다.
2. 설명
액체가 기체로 끓는 온도인 비등점보다 훨씬 높은 온도의 고체 표면에 닿을 경우 순간적으로 액체가 기체로 증발하여 증기층을 형성한다. 기체는 일반적으로 액체보다 절연성이 강하므로 액체와 고체 사이의 증기층은 뜨거운 고체로부터 열이 전이되는 속도를 늦춰 아직 증발하지 않은 액체의 기화 속도를 느리게 한다.물이 고온의 고체 표면에 떨어진 경우, 물방울의 테두리는 약 0.1mm, 고체와 액체 사이에 갇힌 가운데는 0.2mm 두께의 증기층을 형성하여 액체가 증기층 위의 공중에 떠 있게 된다. 덕분에 후라이팬에 떨어진 물방울은 통통 튀듯이 이리저리 빠르게 돌아다닌다. 튀어다니는 물방울의 크기는 표면장력, 밀도 등으로 결정되며, 표면장력이 높은 물이나 수은은 물 알갱이가 비교적 크고 기름이라면 매우 작아진다.
만약 라이덴프로스트 효과가 발생하지 않으면, 즉 고체의 온도가 비등점보다 매우 높지 않으면 액체가 고체에 달라붙은 상태로 물방울의 테두리를 따라 증기를 내면서 증발한다. 이 때 증발 속도는 라이덴프로스트 효과가 없을 때보다 훨씬 빠르다.
라이덴프로스트 효과가 발생하기 시작하는 온도는 직관적으로 예측하기 힘들다. 액체의 불순물, 액체 방울의 크기, 표면 특성 등 다수의 변수로 계산공식이 매우 복잡하다.
3. 예시
일상 생활에서 볼 수 있는 예로는 액체질소 실험 중 순간적으로 손가락을 그 속에 넣는 것이다. 이때 빨리 빼낸다면 질소로 이루어진 절연층 덕분에 별 문제가 되지 않는다. 다만 지속적으로 닿으면 세포가 괴사하니 곤란하다. 반대로 녹은 납에 손을 빨리 넣었다 빼는 것도 같은 효과로 인해 화상을 입지 않는다.흔히 어르신들이 하는, 손에 침을 바르고 불을 끄는 행위도 이것의 원리를 일부 차용한 것이다. 물론 열원이었던 곳은 여전히 뜨겁기 때문에 굳은살이 어느정도 있어야 끄고 나서도 비교적 뜨겁지 않으므로 함부로 따라하면 화상을 입기 쉽다.
역라이덴프로스트 효과도 있다. 이는 라이덴프로스트 효과와는 반대로 표면의 끓는점보다 월등히 온도가 높은 액체를 뿌렸을 때, 표면의 증기가 생겨 액체가 떠서 움직이는 것이다. 위 실험은 액체 질소 표면에 물방울을 떨어뜨린 것인데, 물방울의 온도 때문에 액체 질소가 기화되어 물방울과 액체 질소 사이에 기체 질소의 절연층이 생기는 것이다. 일반적인 라이덴프로스트 효과의 경우 액체 방울이 소진되므로 관찰 시간이 짧지만, 역라이덴프로스트 효과의 경우 표면이 전부 소진되거나 액체 방울이 얼어붙을 때에야 관찰을 할 수 없게 되는데, 작디작은 액체 방울 때문에 표면이 소진되기도 어렵고, 절연층 때문에 열교환이 잘 되지 않으므로 액체방울이 얼어붙는 데도 시간이 많이 걸린다. 위의 액체 질소에 손을 넣는 실험도 일종의 역라이덴프로스트 효과를 이용한 것이라고 볼 수 있다.
쇳물을 맨 손으로 쳐대는 영상이 화제가 된 적이 있었는데 이 역시 라이덴프로스트 효과를 이용하여 손에 화상을 입지 않은 것이다.
마찬가지로 맨손으로 끓는 기름에 손을 넣는 장면도 라이덴프로스트 효과 때문에 화상을 입지 않은 것이다.
이 효과는 존 고틀롭 라이덴프로스트가 그의 저서인 "A Tract About Some Qualities of Common Water"에서 처음 논의하면서 그의 이름을 따서 지어졌다.
또한 라이덴프로스트 효과를 이용하여 독특한 소리를 낼 수도 있다.
일상 생활에서는 재미있는 현상일 뿐이지만, 산업적으로는 이 현상을 적절히 억제해야 하는 경우가 많다. 특히 열교환기 중 물질의 상태 변화가 일어나는 경우 열량을 더 투입했는데 라이덴프로스트 효과에 의해 절연층이 생겨 오히려 교환이 덜 되는 문제가 발생할 수 있다. 이런 현상이 일어나기 시작하는 온도를 라이덴프로스트 점이라고 부르며, 이 지점은 유체의 종류, 고체와 유체의 맞닿는 형태에 따라 달라지기 때문에 열교환기 설계 시 중요한 요소이기도 하다. 기술이 정밀화, 고도화되면서 현대에는 라이덴프로스트 현상을 역이용해 반응 촉매로 쓰거나 미세 알갱이를 생성하는 등 미세 조작 공정에 활용하고 있다.
음펨바 효과의 원인 중 하나로 지목된다.
4. 기타
- 디즈니 애니메이션 엘리멘탈에서 주인공 앰버와 웨이드가 손을 맞잡았을 때 이 효과로 증기가 생기지만 멀쩡한 것을 볼 수 있다.
- 슈렉에서 슈렉이 침 바른 손으로 횃불을 안전하게 끄는 장면이 있다.
- 쥘 베른의 소설 황제의 밀사에서 주인공은 불에 달군 뜨거운 막대로 눈을 지져져서 봉사가 되지만... (스포일러)
5. 관련 문서
[1] 전체적인 내용은 철판에 적절히 홈을 파 물방울을 특정한 방향으로 움직이게 만들고, 그 철판을 이용해 미로를 만든 것.